基于Pro/E的车体导航式参数化设计系统开发

时间：2024-07-29

刘晋，刘宇，黄烈威，孙加平，王广明

(中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北唐山 063035)*

0 引言

唐山轨道客车有限责任公司(以下简称“唐车公司”)是一家知名的大型轨道交通一体化解决方案及轨道交通装备提供商，在其主产品动车组及城轨、地铁的设计中，采用Pro/E进行三维设计.近年来，随着轨道车辆市场化程度的提高，用户对产品的定制导向性越来越强，同时设计周期也被大大压缩，这就迫使公司的设计部门在产品种类不断增加的情况下，重视设计数据的重用性并大力推广标准化设计，以达到更快更好地响应用户需求和市场形势的目的.

唐车公司设计部门通过对轨道车辆车体种类的详细分析与归纳，得到了车体种类及系列和模块化划分方法;通过对结构的深入分析，得到了车体及其子模块参数分级及参数驱动表.在此基础上创建了参数化模型库，并结合Pro/E强大的二次开发功能，应用Pro/TOOLKIT及VC++开发了车体导航式参数化设计系统，大大提高了设计效率，初步实现了车体的标准化设计，为产品走向系列化、谱系化奠定了基础.

所谓导航设计系统，简单来说是指由二次开发的人机界面引导用户一步步完成产品设计的系统.导航设计系统具有以下优点:

(1)大大提升设计效率，显著缩短产品设计周期;

(2)变更极为方便，特别适合于产品改型设计、编写标书、产品概念设计和方案评审等;

(3)固化产品设计模式和设计方法，确保设计质量趋于一致;

(4)有利于培养新人.

本文中所指的导航设计系统，是以车体的产品系列划分、结构的模块化划分和部件的参数化规划为基础，由在Pro/E中运用二次开发技术，按照设计流程开发的一系列人机交互界面构成的.系统的基础是后台封装的车体设计知识库、模型库、参数和关系数据库.

1 车体

1.1 结构

图1 车体结构

对轨道车辆来说，车体担负着承载作用，是重要组成部分之一.车体一般可分为底架、车顶、侧墙和端墙四大模块，如图1.

1.2 车体模块化划分

将车体分为四大模块是开发导航式参数化设计系统的第一步，通过对其进行模块化划分，我们发现:

(1)模块之间关系简单，除端墙外，各模块均不与两个及以上模块有连接关系;

(2)模块独立性强，划分方法与公司目前设计模式与分工原则相同;

(3)在三维建模过程中，四大模块一级是参数分级控制的分级点;

(4)在导航界面中，四大模块一级是程序调用的对象，它们的排列组合形成了目标车体.

1.3 车体参数化控制原则

唐车公司采用基于Pro/E的Top-Down设计方法，对几何的Top-Down，采用上级骨架发布几何，下级骨架复制并发布几何，模型复制几何并实体化的方法实现，这些发布和复制几何多为基准面、曲面特征、坐标系等;对参数和属性的Top-Down，采用继承的方法.为了实现对整个车体的参数化控制，我们根据参数分级表将参数写入相应级别的骨架中，并建立驱动关系式.

需要注意的是，参数分为数值参数和标识参数.数值参数通过关系式控制与其相关的参数或数值，从而实现装配体参数和数值的合理联动;标识参数则表明所属模型的属性，例如在鼓形侧墙的骨架中添加了“鼓形侧墙”参数，作为程序调用的标识.

1.4 车体参数化控制内容

通过对多年来用户定制的要求和车体各大部件结构和尺寸的汇总分析，我们得出了车体参数化控制的内容:

(1)底架主结构由横梁组成，横梁排布由下部吊装的电气和制动设备决定，因此可根据不同的设备吊装方案对底架进行参数化控制;

(2)车顶内部的弯梁排布与安装在车顶上的空调、受电弓安装位置为车顶参数化控制内容;

(3)侧墙的门窗排布与尺寸受用户定制的影响最大，因此作为侧墙参数化控制内容;

(4)端墙端门高度及宽度、风挡安装位置为端墙参数化控制内容.

此外，本系统对各大模块间接口尺寸也进行参数化控制.

2 系统开发方法

2.1 角色划分与参数控制原则

车体的设计是由团队完成的，这就必须在系统开发过程中考虑到角色的划分及权限分配问题.我们将角色划分为主管、系统工程师、部位工程师三级.主管控制产品的顶级参数和特征;系统工程师控制本系统的主要参数和特征，并协调本系统部位工程师;部位工程师则根据传递下来的特征及参数完成本部位设计.在本系统中开发过程中，角色划分与参数控制原则如图2:

图2 角色划分与参数控制原则

2.2 系统开发技术路线及设计流程

该系统架构如图3所示.应用该系统进行产品设计的流程如下:

(1)主管通过Pro/E的定制菜单进入导航设计系统.首先进入总体设计界面进行车辆总体参数的定义及总体几何特征的建立，载体为总体骨架模型(总体参数包含在骨架的参数中);

(2)车体系统工程师进入车体总体设计界面，以参数继承和复制几何方式继承总体参数及总体几何，定义车体参数并绘制下级需要的几何，载体为车体总体骨架.若为新产品初次设计，则发布到下级由部位工程师按要求完成参数化三维模型;若为继承设计(由历史产品进行改型设计)，则首先在标准模型库中选择符合要求的各大部件，修改参数并再生模型，对模型命名进行处理，检入本产品的文件夹，并为部位设计师分配权限;

(3)部位设计师继承车体系统工程师发布的参数及几何，完成本部位详细设计;

(4)对于变更，部位设计师有权提出车体级或车辆总体级变更，车体系统工程师有权提出车辆总体级变更，变更管理如图2所示.

图3 系统架构

3 运行实例

系统菜单结构为总体设计和分系统设计，分系统设计包含了车体设计，并保留了其他系统导航式参数化设计的接口.

总体设计界面:通过该界面可定义车辆的总体属性，如车体轮廓、车体总体尺寸、门类型、门窗分布、空调布置形式等.

车体总体设计界面:可定义车辆门窗尺寸，通过子界面可定义车体各大部件接口.灰显部分为总体定义的参数及特征，不允许在本级更改.(如图4样例).

图4 车体总体及接口设计界面

车顶部位设计界面:车顶部位工程师通过此界面可修改车顶梁排布，并完成其他细节设计.灰显部分为总体及车体定义的车顶部位相关参数和属性，不允许在本级更改.

4 结论

基于Pro/E应用的普遍性及其强大的二次开发功能，应用Pro/TOOLKIT和VC++开发的基于Pro/E的快速设计系统、参数化设计系统及相关文献资料十分繁多.本文所使用的开发工具与方法和这些文献描述并无二致，因此在界面设计及代码编写等方面未多作论述.但作者认为，在企业中推广应用好参数化设计系统，特别是满足不同业务场景，以及涉及到设计-制造环节的信息交换，情况要复杂得多，可看作一个系统工程.

(1)系统的开发一定要在深入研究产品种类和结构的基础上进行.如何进行合理的模块化划分，哪些数值作为参数，这些参数控制哪些参数或数值，参数的取值范围等，都是系统开发前必须明确的;

(2)要规划好产品未来的系列和谱系，选取有代表性的、典型的产品进入标准模型库，并对入库模型定义严格的标准;

(3)图3中的标准模型库的建模质量对系统运用至关重要，在建立过程中，要考虑现有设计流程及产品谱系划分和积累程度，对标准模型库建模的完整程度(达到目标模型的百分比)进行合理把控，必须在保证模型库的通用性及可移植性的基础上，再考虑最大限度削减部位工程师的工作量;

(4)要制定完善的数据管理方案将标准模型库与产品区分开，并制定合理的流程以完成产品与标准模型库的数据交换与转换;

(5)要考虑系统上线后遇到不同的业务场景，如方案设计、基于标准模型库的产品开发、产品入库、改型设计、设计变更等;

(6)要考虑上线后对设计以外部门原有工作模式的冲击，考虑对制造、物料的物流和仓储、采购等环节的影响.

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